در این مطلب می گوییم منظور از دیوار صوتی و شکسته شدن دیوار صوتی چیست. و به ایجاد موج های ضربه ای و بررسی مخروط ماخ و همچنین عدد ماخ می پردازیم.
وقتی سنگی را به درون آب پرتاب می کنیم، مشاهده می کنیم که موج هایی به صورت دایروی ایجاد می شوند که از آن نقطه دور می شوند و در سطح مایع پراکنده می شوند. علت ایجاد این امواج، انرژی است که سنگ در حال حرکت به لایه ای از مولکول های سطح آب داده است که به لایه های دیگر منتقل می شود. وقتی جسمی در شاره دیگری مانند هوا حرکت کند نیز مشابه همین اتفاق می افتد. به عنوان مثال وقتی یک هواپیما در هوا حرکت می کند، مولکولهای هوا در اطراف هواپیما فشرده می شوند. اگر سرعت هواپیما خیلی کمتر از سرعت صوت در هوا باشد، چگالی هوا ثابت می ماند و می توان از معادلات ناویر-استوکس در سیالات، برای توصیف شرایط هوا استفاده کرد.
اما وقتی سرعت هواپیما به نزدیکی سرعت صوت می رسد، باید اثرات تراکم پذیری گازها را در نظر گرفت. همان طور که نوک هواپیما به هوا برخورد می کند ، هوا را فشرده می کند و چگالی هوا به صورت نقطه ای افزایش می یابد. به این تغییر ناگهانی در فشار و چگالی ، امواج ضربه ای گفته می شود. امواج ضربهای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که میتواند به لایههای دیگر منتقل شده و بهصورت یک موج در فضا منتشر شود.
سرعت های ابر صوتی و مخروط ماخ
هواپیمایی را در نظر بگیرید که با سرعتی نزدیک به سرعت صوت در هوا در حال حرکت است. در این سرعتها، هوای جلوی دماغه هواپیما، بهشدت متراکم می شود و دما و فشار آن بالا می رود و یک موج ضربه ای ایجاد می کند. از آنجایی که منبع در جهت خاصی حرکت می کند، جبهه های موج در جلوی آن به هم نزدیک می شوند . چون سرعت هواپیما با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می کند، نوک هواپیما هنوز درون دایره های جبهه موج قرار دارد. امواج ایجاد شده، مانند شکل زیر در فضا پخش می شود.
با نزدیک شدن به سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی دماغه متراکم میشوند و نوک دماغه هواپیما بر جبهه های موج مماس می شود.
اگر سرعت هواپیما بیشتر از سرعت صوت باشد، هواپیما از جبهه های موجی که در لحظات قبل ایجاد کرده بود، خارج می شود و بخشی از جبهه موج جدیدی که ایجاد می کند خارج از جبهه های موج قبلی قرار می گیرد. از رسم کردن خط مماس بر جبه های موج یک شکل مخروط ایجاد می شود که به آن مخروط ماخ می گویند.
عدد ماخ
برای به دست آوردن زاویه این مخروط به صورت زیر عمل می کنیم:
بر اساس شکل بالا می توان نوشت :
µ زاویه راس مخروط ماخ است و پارامتر M عدد ماخ است که به صورت زیر تعریف می شود:
اگر سرعت جسم کمتر از سرعت صوت باشد، عدد ماخ کوچکتر از یک است. اگر سرعت جسم برابر با سرعت صوت باشد عدد ماخ برابر با یک است و اگر سرعت جسم بیشتر از سرعت صوت باشد، عدد ماخ بزرگتر از ۱ است.
دیوار صوتی چیست؟
دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست. وقتی هواپیما یا جسم دیگری به سرعت نزدیک صوت می رسد، به علت تراکم و تغییر فشار هوا ، رسیدن به سرعت صوت و سرعت های بالاتر از سرعت صوت بسیار مشکل می شود و نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب میباشد. این حد، یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته می شود و به آن دیوار صوتی می گویند . رد شدن از دیوار صوتی موجب ایجاد یک صدای غرش می شود. (sound boom)
صدای غرش می تواند به اجسام روی زمین مانند شیشههای منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها میشود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربهای بهطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است. اما این صدای غرش فقط در زمانی که هواپیما در حال عبور است، موجب آسیب نمی شود بلکه هر جسمی که در مخروط ماخ قرار داشته باشند، آسیب می بیند. مانند شکل زیر:
صدای غرش بخاطر تغییر ناگهانی فشار رخ می دهد و این اتفاق در عیور یک هواپیما، دوبار اتفاق می افتد. وقتی هواپیما بالاتر از سرعت صوت حرکت می کند، در دماغه هواپیما، یک افزایش فشار ناگهانی ایجاد می شود. همچنین وقتی که انتهای هواپیما عبور می کند و فشار ناگهان به حالت عادی بر می گردد نیز یک تغییرفشار ناگهانی رخ می دهد . بنابر این عبور هواپیما دو غرش ایجاد می کند اما معمولا توسط گوش انسان، یکی شنیده می شود. تغییرات فشار را با موج N بیان می کنند که دو غرش (boom) را در بر دارد و چون مانند شکل N یک قله و یک دره دارد، به این نام در آمده است.
مدلهای کامپیوتری با استفاده از این اصول می توانند شدت و مکان بوم صوتی را برای شرایط جوی داده شده و پرواز مشخص پیش بینی کنند.
در ویدیو زیر شکسته شدن دیوار صوتی توسط جگنده F-18 را مشاهده می کنید.
2 دیدگاه دربارهٔ «مخروط ماخ»
سلام و خداقوت خیلی زیاد، ممنون از شما بابت این مطلب کامل. من همیشه برام سوال بود که شکسته شدن دیوار صوتی چیه، ولی با توجه به این که اخیرا بخش دوپلر کتاب فیزیک دوزادهم رو خوند،م و توضیحات شما، بالاخره متوجه شدم و خیلی لذت بخش بود(:
فقط بی زحمت اکه امکان داره، به توضیحات بالا این رو هم اضافه کنید که موج هایی که بر اثر حرکت هواپیما پراکنده میشن، همه موج های صوتی هستن و در اصل این ذرات هوا هستن که نهایتا توی نقطه شکسته شدن دیوار صوتی به شدت متراکم شده ان و باعث اون صدای مهیب میشن.
سپاس از توجه شما.